排水对浅埋暗挖隧道围岩内地下水压力影响作用

刘 鹏 洪 勇 车效文 周 蓉

(青岛理工大学，山东 青岛 266011)



排水对浅埋暗挖隧道围岩内地下水压力影响作用

刘 鹏 洪 勇*车效文 周 蓉

(青岛理工大学，山东 青岛 266011)

以青岛地铁苗同区间隧道为依托，通过现场监测和数值分析，探讨了无排水和排水两种状况下，隧道围岩内地下水压力的变化情况，指出选择适当的防排结合型隧道不仅减少了地下水压力对衬砌结构的影响，而且提高了隧道运营期间的安全性。

隧道，围岩，地下水压力

在地下水丰富的地区选择浅埋隧道时，其遭受大量涌水和高水压的问题日益增多，对隧道周围地下水的处理方式也变得越来越关键。对通过前期进行注浆方式填充围岩裂隙，进而减少围岩内地下水达到限排目的的隧道，国内外许多学者进行过大量的研究。张成平等[1]研究指出如果隧道采用“堵水限排”的方式，若衬砌背后的水没有完全排出的话，衬砌外水压力将逐渐达到静止水头，此时前期锚喷支护等只能起到堵水的作用，并不能降低地下水压力。苏会锋等[2]提出了两种外水压力的概念。实际工程应用中锚喷支护可以提升堵水的能力，但若要减少隧道周围地下水压力，衬砌背后必须结合“小排”，才能达到降压的目的。

1 工程概况

1)地质条件。苗同区间隧道位于青岛市崂山区地铁M2号线上，施工段全长1 065.808 m。本区间沿深圳路南北直向，所处地形起伏较大，地面高程约为4.16 m～21.73 m。依据野外钻探资料，该工程勘察范围内主要分布有第四系人工填土、冲洪积层和燕山晚期侵入花岗岩基岩以及燕山晚期侵入岩[3]。2)地下水。该区间第四系土层不发育，岩石中风化带和微风化带，岩体中裂隙较多，赋水性较差，受地表降雨影响明显，开挖周围区域地下水受降雨变化较大，应做好基坑的止水、支护工作，并采取有效的排水措施。3)开挖方式。本区间采用暗挖的施工方式，开挖深度为20.45 m～29.63 m，为单洞单线隧道，断面内轮廓尺寸：5.1 m×5.33 m(宽×高)，单一隧道为马蹄形断面、复合衬砌暗挖结构。

2 浅埋暗挖区间隧道防水设置

本暗挖区间的防水等级为一级，一级防水要求不允许渗水，结构表面无湿渍。在防水方面采用锚喷支护、铺贴防水板和二次背后注浆形成复合式防水，在排水方面采用泄水孔和盲道形式将附近地下水排出。

3 地下水压力监测

隧道衬砌受到地下水的影响比较大，隧道外围时刻受到水压力作用以及侵蚀，为了监测防排结合型隧道在不同排水状态下围岩中地下水变化情况，本项目采用埋置振弦式渗压计来获取数据并分析，测试原理见图1[4]。

监测断面共埋设6个振弦式渗压计，分别在初期锚喷支护结束后布置在拱顶、底部、拱腰和拱脚处，具体位置见图2(其中③和⑤点设置排水孔和纵向盲管进行排水)。各渗压计埋置于距隧道表面深度1 m处围岩内，测量隧道外围岩内地下水压力。

监测期间为2015年5月～10月初共5个月，在5月～6月末期间关闭所有的排水设施，在7月初～9月末打开⑤号点(右侧拱脚)进行排水。图3为监测期间内各测点围岩内水压力的变化情况。

图3为地下水压力监测结果。如图3所示，在5月～6月末排水措施关闭情况下，各监测点的压力变化趋势相似。其中隧道两侧拱脚(③，⑤)处测得的水压力最大，右侧拱脚⑤稍大于左侧拱脚③。其次拱底④处水压力也较大，远大于拱顶①位置，两侧拱腰(②，⑥)处水压力大体相似。

在7月～10月初右侧拱脚⑤排水装置打开排水下，在7月1日～7月5日时间内右拱腰⑥、右拱脚⑤和拱底④处水压迅速下降，其中在右侧拱脚处⑤变化最大，由0.035 6 MPa降低至0.002 2 MPa，约降低了10倍，此后水压趋于稳定。从7月初直到8月末这段期间里，拱顶①、左拱腰②和左拱脚③处水压力都持续上升且变化趋势相似，拱脚③达到最大值为0.062 1 MPa，当左拱脚③处于最大值时，在右拱脚⑤处地下水压力仅为0.002 8 MPa，相差0.059 3 MPa。在8月末以后，左拱腰②、左拱脚③和拱顶①地下水压力开始持续下降，至监测结束时地下水压力和未排水时地下水压力近于相同。

因此可以判断，在未排水状态下，隧道围岩内均存在较大的地下水压力。当在右拱脚⑤处设置排水状态下，不仅右拱脚⑤处的水压力降低，右拱腰⑥和拱底④处的地下水压力也伴随一起降低。而未排水一侧的地下水压力先期持续上升，在到达峰值后再持续下降，降至和未排水状态下相似的水压力。这表明在局部设置排水条件下，将造成隧道围岩内地下水压力的不同变化。

4 模拟计算分析

为了进一步分析隧道在排水状态下周围水压力状况，本次采用FLAC3D进行模拟分析。

模拟时将模型上部作为隧道水头边界，由于工程区间岩层属于弱透水，模拟时围岩渗透系数取值为5.0×10-6m/s。隧道半径为2.5 m，衬砌厚度为1.0 m，施作衬砌后，模拟外部围岩水压力，见图4。

图4为在各种排水条件下围岩内水压力模拟图。

如图4a)所示，在模拟未排水条件下，由于采用被动防水措施，在衬砌外围岩内存在着较大的地下水压力，以底部和两侧的拱脚为最大。因为属于浅埋暗挖隧道，埋深度较小，易受地表降水的影响，随着埋深度的增加其地下水压力也越大。衬砌若持久处于高水压力下，会对以后运营期的安全性造成潜在威胁。

图4b)为在右侧拱脚处设置排水后水压力分布情况。右侧拱脚处汇集的地下水通过泄水孔排放至纵向盲管，使得右侧拱脚处周围地下水压力大幅降低，并且在右侧拱腰和拱底处地下水压力也明显下降，而左侧拱脚与拱腰一直有较大的地下水压力。

图4c)为在左侧拱脚处设置排水后水压力分布情况。与右侧拱脚排水类似，其左侧拱脚、拱腰和拱底附近区域的地下水压力明显降低，右侧拱脚和拱腰处均有较大的地下水压力。

图4d)为左右两侧拱脚处进行排水下水压力分布情况。在隧道的两侧拱脚、拱腰处和拱顶、拱底处的地下水压力均很小，在隧道周围区域地下水压力也明显降低。

5 结语

本文通过实际数据监测与模拟分析表明在未排水条件下，青岛地铁苗同区间段隧道的两侧拱脚处围岩内水压力最大，设计时要重点加强拱脚处防排水。在隧道拱脚处设置排水条件下，在靠近排水位置处其周围补位隧道外侧围岩内水压力比未排水时有明显的降低。而在距设置排水较远一侧的隧道围岩内地下水压力有明显的增大现象。由此可以看出在设置局部排水时，要充分考虑其他区域地下水变化情况并设置相应的防水设施，以便降低地下水的危害，提高施工和运营期间的安全性。

[1] 张成平，张顶立，王梦恕，等.高水压富水区隧道限排衬砌注浆圈合理参数研究[J].岩石力学与工程学报，2007(11):2270-2276.

[2] 苏会锋，秦忠诚，席 健.山岭隧道“控制排水”原则下的围岩注浆[J].公路，2006(10):219-222.

[3] 北京城建设计研究总院有限公司.青岛市轨道交通一期工程可行性研究报告(青岛地铁M3线)[R].2008.

[4] 郭 家.浅埋水下隧道水压力分布及防排水技术研究[D].北京：北京交通大学博士论文，2012.

Influence of drainage upon groundwater pressure within the shallow-buried tunnel surrounding rock

Liu Peng Hong Yong* Che Xiaowen Zhou Rong

(QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266011,China)

Taking Qingdao subway Miaotong tunnel as the background, through field monitoring and numerical simulation, the paper explores groundwater pressure changing conditions within the surrounding rock with and without drainage, and points out that: selecting suitable drainage-prevention combined tunnel will not only reduce the influence of groundwater pressure upon masonry, but also improve the tunnel safety during the operation period.

tunnel, surrounding rock, groundwater pressure

1009-6825(2016)24-0178-02

2016-06-15

刘 鹏(1990- )，男，在读硕士

洪 勇

U451.2

A